Idaho National Laboratory und MIT enthüllen Porenverteilung in U-10Zr-Brennstoff

de.wedoany.com-Bericht: Das Idaho National Laboratory und das Massachusetts Institute of Technology haben gemeinsam eine dreidimensionale Untersuchung der radialen Bereiche von bestrahltem U-10Zr (Uran-10%-Zirkonium-Legierung) Brennstoff durchgeführt und dabei das Schwellverhalten, die Wärmeübertragungseigenschaften sowie die Wechselwirkungsmechanismen mit der Brennstoffhülle nach dem Reaktorbetrieb aufgeklärt. Die U-10Zr-Legierung wurde in der Vergangenheit häufig in Brennstofftests historischer natriumgekühlter schneller Reaktoren eingesetzt und gilt derzeit als Kandidatenmaterial für Brennstoffe fortschrittlicher Reaktoren der nächsten Generation.

Nach Angaben des Massachusetts Institute of Technology stammen die Untersuchungsproben aus Brennstoff, der im Reaktor der Fast Flux Test Facility (FFTF) verwendet wurde. Dieser Reaktor wurde zwischen 1982 und 1992 am Hanford Site im Bundesstaat Washington betrieben. Die Experimente wurden am Brookhaven National Laboratory durchgeführt, wo das Team mittels hochenergetischer Synchrotron-Röntgen-Computertomographie das unter Bestrahlungsbedingungen gebildete Porennetzwerk sowie die chemischen Veränderungen des Brennstoffs analysierte.

Professor Ericmoore Jossou vom Massachusetts Institute of Technology erklärte, dass die Studie die Simulation der Porenverteilung im Brennstoff präziser macht und zugleich das Verständnis der Porenfunktion vertieft, was die Grundlage für die sichere Betriebsauslegung von Reaktor-Metallbrennstoffen liefern kann. In einer früheren, im Jahr 2020 veröffentlichten Studie hatte ein Team der Purdue University die erste dreidimensionale Charakterisierung von bestrahltem U-10Zr durchgeführt, winzige Proben aus FFTF-Brennstoffstäben untersucht und festgestellt, dass 7,2 % des Volumens dieser Brennstoffprobe aus Poren bestanden; zudem wurden drei Uranphasenbereiche identifiziert: abgereichertes Uran, intermediäres Uran und uranreiches Gebiet.

Die neue Studie entnahm Proben an mehreren Positionen über den gesamten Brennstoffquerschnitt und wählte vier Bereiche mit unterschiedlichem Zirkoniumgehalt für die Analyse aus. Die Forscher beschossen die Proben mit hochenergetischen Röntgenstrahlen und beobachteten die Veränderungen nach der Wechselwirkung, rekonstruierten das Porennetzwerk im Brennstoffinneren in drei Dimensionen und ermittelten die Entwicklung von Porosität, chemischer Zusammensetzung sowie Brennstoff-Hülle-Wechselwirkung entlang des Brennstoffradius.

Nach Angaben des Massachusetts Institute of Technology zeigen die Ergebnisse, dass die Porosität vom Brennstoffzentrum zum Rand hin moderat zunimmt, während in der hüllennahen Randzone des Brennstoffs die Porendichte um mehr als zwei Größenordnungen ansteigt. Die Charakterisierung von Porengröße und -form zeigt, dass sich kleine Poren im zentralen Bereich nach außen ausdehnen und allmählich große Porennetzwerke bilden, die auf den Brennstoffrand ausgerichtet sind.

Jossou erläuterte, dass Spaltprodukte, einschließlich Gase und Lanthanide, zur Hülle wandern und mit dieser reagieren, was zu Hüllversprödung führt und das Brennstoffsystem schädigt; das Porennetzwerk begünstigt diesen Prozess. Die Studie zeigt jedoch zugleich, dass Poren bei hohen Temperaturen als Strömungskanäle für flüssiges Natrium dienen und die Wärmeübertragung verbessern können; verbundene Poren können zudem als Freisetzungskanäle für Spaltgase wirken und die Spannungen im Brennstoffmatrixinneren verringern.

Anthony Harrup, Postdoktorand am Massachusetts Institute of Technology, wies darauf hin, dass Poren in aktuellen Modellen als Kugeln vereinfacht werden, die Realität jedoch weitaus komplexer ist, insbesondere wenn zahlreiche Poren koaleszieren; dieses Phänomen tritt entlang der gesamten Strecke vom Brennstoffzentrum bis zur Hülle auf, was spezifische Reaktionen an der Hülle und das Vorkommen von Hüllmaterialien im Brennstoff erklärt.

Die Forscher sind der Ansicht, dass Porenanzahl und -verteilung wichtige Faktoren für das Verständnis von Brennstoffleistung und -lebensdauer sind. Zwischen den experimentellen Beobachtungen und den bestehenden Modellen zur Porenbildung und zum Schwellen des Brennstoffsystems bestehen Unterschiede; diese Abweichungen könnten zur Verbesserung von Simulationsmethoden beitragen und damit die Verlängerung der Reaktorlebensdauer unterstützen.

Harrup erklärte, dass die Studie durch fortschrittliche computergestützte Bildgebungsverfahren die lokale chemische Umgebung mit der Porenbildung verknüpft und aufzeigt, wie uranreiche oder zirkoniumreiche Umgebungen die Porenmorphologie und Kanalstrukturen beeinflussen – ein Phänomen, über das bislang nicht berichtet wurde. Professor Dong Liu von der University of Oxford (nicht an dieser Studie beteiligt) bewertete die Arbeit als beeindruckend, da sie dreidimensionale Porosität mit den thermischen Eigenschaften des Brennstoffs verbindet. Tiankai Yao, Forscher am Idaho National Laboratory, erklärte, dass die direkte Beobachtung von Porenvernetzung und Brennstoff-Hülle-Wechselwirkung im dreidimensionalen Raum eine wichtige Referenz für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Metallbrennstoffe für natriumgekühlte schnelle Reaktoren darstellt.